某145 m跨儲煤棚結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計

張 淵 　 張家坤 　 張 磊 　 趙海艷

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京　100043；　2.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂　273418；　3.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京　102442)

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某145 m跨儲煤棚結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計

張 淵1張家坤2張 磊1趙海艷3

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京100043；2.山東沂蒙抽水蓄能有限公司，山東 臨沂273418；3.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京102442)

介紹了長治市某儲煤棚的結(jié)構(gòu)及外形尺寸，通過風(fēng)洞試驗，確定了風(fēng)荷載分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)，對比分析了基于隨機(jī)振動理論與基于直接積分兩種風(fēng)振系數(shù)的計算方法，指出基于直接積分方法可獲取大跨度儲煤棚屋蓋不同風(fēng)向角下準(zhǔn)確的風(fēng)振系數(shù)。

儲煤棚，風(fēng)荷載，風(fēng)振系數(shù)，大跨度結(jié)構(gòu)

0　引言

長治市瑞達(dá)工業(yè)園區(qū)焦化項目煤場縱向長度為200 m，跨度方向為145 m，矢高46.259 m，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為2.140 m，結(jié)構(gòu)頂點標(biāo)高為48.399 m。結(jié)構(gòu)采用柱面三心圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，相對于地震作用，風(fēng)荷載對鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力將起控制作用[1]。此外由于該結(jié)構(gòu)跨度較大，且現(xiàn)行規(guī)范也沒有對應(yīng)的體型系數(shù)，因此，須通過風(fēng)洞模型試驗測量結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布；并在此基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，確定主體結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的等效靜力風(fēng)荷載[2]。

1　結(jié)構(gòu)平面及外形尺寸

網(wǎng)殼采用正放四角錐體系，正放四角錐受力比較均勻，空間剛度大，制作安裝方便。結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

2　風(fēng)荷載分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)的確定

網(wǎng)殼內(nèi)設(shè)置有煤堆且周邊存在防塵網(wǎng)，風(fēng)致干擾效應(yīng)不容忽

視，現(xiàn)行GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范已經(jīng)不能提供相應(yīng)的體型系數(shù)。因此，須通過風(fēng)洞模型試驗測量結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)。

風(fēng)洞試驗時設(shè)置2個工況分別進(jìn)行測量，其中，工況一為設(shè)置防塵網(wǎng)無煤堆；工況二為設(shè)置防塵網(wǎng)有煤堆。試驗中利用模型對稱性，由0°～180°，每隔10°測量一次，每工況各進(jìn)行19個風(fēng)向角的測量，體型系數(shù)分區(qū)及風(fēng)向角示意圖如圖2所示。

基于風(fēng)洞試驗結(jié)果，可獲得平均風(fēng)壓系數(shù)，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk應(yīng)按式(1)計算：

Wk=βsμsμzW0=βsCpW0H

(1)

其中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βs為風(fēng)振系數(shù)，需計算確定；μs為分區(qū)體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，具體取值可參見GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范；Cp為分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)；W0H為參考高度處的風(fēng)壓。

通過風(fēng)洞試驗給出了工況一和工況二下不同風(fēng)向下分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)。兩種工況下典型的90°角風(fēng)壓系數(shù)見圖3，圖4[3]。

3　大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)的計算方法

3.1大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)的定義

根據(jù)規(guī)范定義，在工程應(yīng)用中將風(fēng)荷載的動力效應(yīng)以風(fēng)振系數(shù)β的形式等效為靜力荷載，即風(fēng)振系數(shù)為：

(2)

大跨度結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的計算方法主要包括基于直接積分原理的風(fēng)速時程法和基于隨機(jī)振動理論的頻域方法。

3.2基于隨機(jī)振動理論的風(fēng)振系數(shù)計算方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識可以得知，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有n個自由度，則其振型的數(shù)量也是n個。很顯然，由于網(wǎng)殼的節(jié)點數(shù)目眾多，組合所有的振型是不現(xiàn)實的。而且，低頻率的振型對于風(fēng)振響應(yīng)的貢獻(xiàn)較大，因此通常的做法是截取前m階振型。MST軟件，基于振型分解原理的頻域方法，通過選取不同的截斷模態(tài)數(shù)，計算得到的位移風(fēng)振系數(shù)和內(nèi)力風(fēng)振系數(shù)如表1所示。

表1　基于隨機(jī)振動理論確定的風(fēng)振系數(shù)

由表1可知，隨著結(jié)構(gòu)參與振型的增加，結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)隨之增大。但是，增長的幅度隨著截斷振型數(shù)的增大越來越小。對于本儲煤棚結(jié)構(gòu)，振型截取至60后，風(fēng)振系數(shù)基本上已經(jīng)不再改變。

3.3基于直接積分方法的風(fēng)振系數(shù)計算方法

分解原理的頻域方法，常常涉及到模態(tài)截斷，因此基于隨機(jī)振

動理論的頻域方法結(jié)果常常會有誤差。鑒于此，為保證該煤棚結(jié)構(gòu)的可靠度，尚應(yīng)采用基于直接積分原理的分速度時程法來確定風(fēng)振系數(shù)。有限元計算所采用的結(jié)構(gòu)表面脈動風(fēng)荷載時程源自風(fēng)洞試驗。結(jié)構(gòu)上某節(jié)點風(fēng)荷載時程如圖5所示。有限元模型計算時采用瑞利阻尼。

根據(jù)時程分析結(jié)果和確定結(jié)構(gòu)在各不利風(fēng)向角下的極值響應(yīng)及對應(yīng)的整體風(fēng)振系數(shù)如表2所示。

表2　各風(fēng)向角下煤倉極值響應(yīng)及風(fēng)振系數(shù)

3.4兩種風(fēng)振系數(shù)計算方法的比較

比較基于隨機(jī)振動理論確定的風(fēng)振系數(shù)與基于直接積分方法的風(fēng)振系數(shù)可知，后者的數(shù)值大部分均大于前者的計算結(jié)果，對于120°風(fēng)向角，整體位移風(fēng)振系數(shù)甚至達(dá)到了1.68。這是由于基于隨機(jī)振動理論的頻域方法，常常涉及到模態(tài)截斷，該方法的結(jié)果會存在有誤差。此外，該方法也不能提供不同風(fēng)向角下的結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)。根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果，不同風(fēng)向角下，結(jié)構(gòu)不同部位所承受的脈動風(fēng)壓時程也不同，因此其所對應(yīng)的動力效應(yīng)也應(yīng)不同。基于直接積分方法的風(fēng)振系數(shù)可以很好的體現(xiàn)這一點。

4　結(jié)語

本文通過對145 m跨三心圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗結(jié)果的分析及兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)計算方法的比較分析，可以得出以下結(jié)論：1)大跨度儲煤棚屋蓋設(shè)計過程中，風(fēng)荷載是主要荷載，其中煤堆及周圍防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)對其體型系數(shù)的干擾不容忽視，因此應(yīng)該根據(jù)風(fēng)洞試驗獲取其準(zhǔn)確的風(fēng)荷載分區(qū)平均風(fēng)壓系數(shù)。2)為獲取大跨度儲煤棚屋蓋不同風(fēng)向角下準(zhǔn)確的風(fēng)振系數(shù)，應(yīng)采用基于直接積分方法的風(fēng)振系數(shù)計算方法。

[1]張淵，趙海艷，寧志剛，等.考慮地震行波效應(yīng)的145 m跨三心圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)時程分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015,45(21)：52-57.

[2]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[3]山西長治煤棚風(fēng)洞試驗報告[Z].2015.

Wind load design of latticed shell with 145 m span for coal storage shed

Zhang Yuan1Zhang Jiakun2Zhang Lei1Zhao Haiyan3

(1.BeijingShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Beijing100043，China；2.ShandongYimengPumpedStorageCo.,Ltd,Linyi273418，China；3.BeijingVocationalCollegeofAgriculture,Beijing102442，China)

This paper introduced the structure and dimensions of a coal storage shed in Changzhi, through the wind tunnel tests, determined the mean wind pressure coefficients of wind load partitioning, comparative analyzed the calculation method based on random vibration theory and direct integration two kinds of wind vibration coefficients, pointed out that based on direct integration method could obtain accurate wind vibration coefficient of large span coal storage shed roof under different wind angles.

coal storage shed, wind load, wind vibration coefficient, long span structure

1009-6825(2016)19-0027-02

2016-04-29

張淵(1980- ),男，碩士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU312

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